智能制造应用培训（智造讲堂信息物理系统）

引自：《传感与测量技术》（作者：董永贵）

2011年，Kagermann等人在德国汉诺威博览会上提出了工业4.0的概念，认为工业的发展经历了从1.0到4.0的四个时代。

工业1.0：始于18世纪末，伴随蒸汽机的出现，工业生产从手工活动转向以机器为基础机械化生产。标识性事件是1784年第一台纺织机械的出现。

工业2.0：始于19世纪末，电力机械的出现，工业生产开始进入规模化大生产时代，标识性事件是1870年辛辛那提屠宰场的生产线。

工业3.0：始于20世纪70年代，机械电子、计算机、工业机器人等新技术的出现，工业生产开始进入自动化时代。标识性事件是1969年可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。

工业4.0：始于21世纪初，信息与通讯技术的进步对制造业产生深远的影响，机器学习算法开始进入自动化系统。生产过程中人的因素越来越重要，但实际的人工操作越来越少。

工业4.0目前尚无公认的标识性事件，但2006年出现的信息物理系统（cyber-physical system，CPS）是工业4.0核心的说法，开始被越来越多的人所接受。

CPS是一种连接多个计算实体，实现协同运算的系统。这里所说的计算实体，可以是个人计算机或服务器，也可以是功能相对简单的嵌入式系统。

许多人认为CPS的概念起源于嵌入式系统。现场设备中布设了大量的嵌入式系统。嵌入式系统实现了具体物理过程与数值计算的紧密集成与协同。CPS在更高一级的层面上，将布设于不同地理位置的嵌入式系统进行连接与协同运算，同时提供和使用网络中可用的数据访问和数据处理服务，实现对具体物理过程的感知、监视与操控。与传统意义上的测控系统不同之处在于，CPS采用了“全局虚拟、本地物理”的工作模式。物理过程的感知与操纵发生在本地，而控制与观察则借助虚拟网络安全、可靠、实时地实现。由于CPS更强调系统中各个单元之间的互动，因此被形象地称作“系统之系统”。

如图1所示，CPS包括3个部分，即物理过程、接口、信息系统。物理过程是指所需要监测或控制的具体物理现象，信息系统包括了嵌入式系统以及在分布式环境中进行信息处理与通讯的全部器件。接口则是连接信息系统与物理过程的那些通讯网络与中间器件，包括彼此连接的传感器、执行器、模拟数字转换器（ADC）、数字模拟转换器（DAC）等等。

图1 CPS的基本组成

CPS实现了网络与物理系统的紧密耦合。物理系统是CPS最重要的部分。根据具体需求，合理地整合传感器与执行器网络资源，是决定CPS运行效果的关键。信息系统是CPS的核心。CPS具有安全性、实时性和可预测性的要求。大部分执行器所执行的物理操作是不可逆的，信息系统给出的决策信息，不仅要求具备可信度、安全性、有效性，还需要有足够的实时性，需要CPS能够在任何时刻、任何情况下合理地将资源分配给多个相互竞争的实时任务，从而满足每个实时任务的实时性要求。

图2给出了5C体系架构，是CPS常用的参考模型。5C模型包括5个层次，即配置（configuration）、认知(cognition)、网络(cyber)、转换（conversion）、连接(connection)。

图2 CPS的5C参考模型

例如，考虑某机械加工设备的维护问题时，5C中每个层次对应的内容如下：

（1）连接——传感器（振动、声发射、温度、电流）、控制参数（PLC上的转速、切割参数等）。由位于本地的工控机处理成数据。

（2）转换——特征提取（时频参数、RMS、鞘度等）、控制数据整合，上传到云服务器。

（3）网络——数据聚类分析（与历史数据比对），如发现新的类别（工况），则添加。

（4）认知——设备的健康水平。如刀具的工况。

（5）配置——根据健康水平进行决策，给出配置信息，反馈到设备中。

显然，与传统形式的状态监测协同相比，CPS不仅可针对具体设备、具体工况给出决策，并且可以添加新的工况，并能及时将决策反馈到设备中。

现实应用中，不可能要求CPS中的每个连接节点都源自同一厂家，执行同一标准，即存在所谓的“异构”问题。使用过苹果手机与安卓手机的读者，应该对应用软件的异构性质有所体会：有些应用软件是不能直接共享的。

异构是CPS的一个基本特征，或者说，CPS是信息系统与物理系统深度集成和交互的异构分布式系统。

图3给出了CPS与OSI七层模型的对比。从物理层到传输层，已经与基于以太网的TCP/IP技术融合。所以，实现异构系统的无缝连接，应用层是需要解决的关键所在。CPS将系统划分为3个层次。物理层是指CPS中的单元组分及相互的物理作用，平台层是指支持包括通讯基础器件在内的数字系统硬件设备，软件层包括操作系统各种不同的数字进程。软件层实际控制CPS，并提供实现智能或复杂任务的方法。

图3 CPS与OSI模型的对比

由于CPS鲜明的网络特征，很容易将CPS与物联网的概念联系在一起。实际上，物联网是CPS概念形成的重要驱动力。物理网概念的出现要早于CPS。1999年，麻省理工学院（MIT）汽车识别中心的Ashton提出了物联网，建议为每种产品提供一个独特的电子标签，并将产品连接到互联网中。20多年后的今天，学术界从不同的角度对物联网进行了阐述，但依然还没有统一的定义。一般来说，物联网更多是一个计算概念，描述了一种将大量对象直接连接到互联网的方法。通过部署智能传感器感知周围环境，传输和处理采集到的数据，然后使用智能执行器与环境进行交互。物联网主要应用场合还是在消费领域，包括家庭自动化，能源管理和家庭健康监测等。

与CPS更接近的概念，是工业物联网。工业物联网是物联网的一个子集，描述了制造过程中机器对机器（m2m）的连接与工业通讯技术。工业物联网中的通讯是面向机器的，应用的整体网络往往比物联网系统更大。工业物理网借助大量数据的收集与分析提供解决方案，从而实现工业操作的优化，以更好地进行质量控制、预防性维护和资产管理。

CPS可以简单理解为一种分布式的自动化系统。同时考虑物理对象与计算机网络，是CPS不同于物理网的关键，如图4所示。

图4 物联网与CPS